Лекция. Несимметрия напряжения

Содержание лекции: несимметрия напряжения, влияние несимметрии напряжения на работу электрооборудования.

Цель лекции: изучить основные формулы расчета несимметрии напряжения.

Несимметрия напряжения – это несимметрия трёхфазной системы напряжений. Характеризуется коэффициентом обратной и нулевой последовательности. Несимметрия напряжений происходит только в трёхфазной сети под воздействием неравномерного распределения нагрузок по её фазам [4, 8].

Источниками несимметрии напряжений являются дуговые сталеплавильные печи, тяговые подстанции переменного тока, электросварочные машины, однофазные электротермические установки и другие одно фазные, двухфазные и несимметричные трёхфазные потребители электроэнергии, в том числе бытовые. Так, суммарная нагрузка отдельных предприятий содержит 85-90% несимметричной нагрузки. А коэффициент несимметрии напряжения по нулевой последовательности (K0U) одного 9-и этажного жилого дома может составлять 20%, что на шинах трансформаторной подстанции (точке общего присоединения) может обусловить превышение, нормально допустимые 2%.

Влияние несимметрии напряжений на работу электрооборудования:

- в электрических сетях возрастают потери ЭЭ от дополнительных потерь в нулевом проводе;

- однофазные, двухфазные потребители и разные фазы трёхфазных потребителей ЭЭ работают на различных не номинальных напряжениях, что вызывает те же последствия, как при отклонении напряжения;

- в ЭД, кроме отрицательного влияния не несимметричных напряжений, возникают магнитные поля, вращающиеся встречно вращению ротора;

- общее влияние несимметрии напряжений на электрические машины, включая трансформаторы, выливается в значительное снижение срока их службы.

Например, при длительной работе с коэффициентом несимметрии по обратной последовательности K_2U=2-4%, срок службы электрической машины снижается на 10-15%, а если она работает при номинальной нагрузке, срок службы снижается вдвое.

Поэтому ГОСТ 13109-97 устанавливает значения коэффициентов несимметрии напряжения по обратной (K_2U) и нулевой (K_0U) последовательностям, - нормально допустимое 2% и предельно допустимое 4%. В качестве вероятного виновника несимметрии напряжений ГОСТ 13109-97 указывает потребителя с несимметричной нагрузкой. [2, 4]

Мероприятия по снижению несимметрии напряжений:

- равномерное распределение нагрузки по фазам (см. рисунок 6.1). Это наиболее эффективное мероприятие, но оно требует творческого подхода при проектировании электроустановок и решительности при эксплуатации;

- применение симметрирующих устройств. Сопротивления в фазах симметрирующего устройства (СУ) подбираются таким образом, чтобы компенсировать ток обратной последовательности, генерируемый нагрузкой как источником искажения. Применение симметрирующих устройств сопровождается дополнительными капитальными затратами на их приобретение и монтаж, затратами на обслуживание и эксплуатацию.

Рисунок 6.1 – Распределение нагрузки по фазам

Наиболее распространенными источниками несимметрии напряжений в трехфазных системах электроснабжения являются такие потребители электроэнергии, симметричное многофазное исполнение которых или невозможно, или нецелесообразно по технико-экономическим соображениям. К таким установкам относятся индукционные и дуговые электрические печи, тяговые нагрузки железных дорог, выполненные на переменном токе, электросварочные агрегаты, специальные однофазные нагрузки, осветительные установки.

Несимметричные режимы напряжений в электрических сетях имеют место также в аварийных ситуациях – при обрыве фазы или несимметричных коротких замыканиях.

Несимметрия напряжений характеризуется наличием в трехфазной электрической сети напряжений обратной или нулевой последовательностей, значительно меньших по величине соответствующих составляющих напряжения прямой (основной) последовательности.

Несимметрия трехфазной системы напряжений возникает в результате наложения на систему прямой последовательности напряжений системы обратной последовательности, что приводит к изменениям абсолютных значений фазных и междуфазных напряжений (см. рисунок 6.2).

Рисунок 6.2 – Векторная диаграмма напряжений прямой и обратной последовательности

Помимо несимметрии, вызываемой напряжением системы обратной последовательности, может возникать несимметрия от наложения на систему прямой последовательности напряжений системы нулевой последовательности. В результате смещения нейтрали трехфазной системы возникает несимметрия фазных напряжений при сохранении симметричной системы междуфазных напряжений (см. рисунок 6.3).

Рисунок 6.3 – Векторная диаграмма напряжений прямой и нулевой последовательности

Несимметрия напряжений характеризуется следующими показателями:

- коэффициентом несимметрии напряжений по обратной последовательности;

- коэффициентом несимметрии напряжений по нулевой последовательности.

Коэффициент несимметрии напряжений по обратной последовательности равен, %:

где U ₂₍₁₎ – действующее значение напряжения обратной последовательности основной частоты трехфазной системы напряжений, В;

U ₁₍₁₎ – действующее значение напряжения прямой последовательности основной частоты, В.

Допускается К _{2 U} вычислять по выражению, %:

где U _ном.мф – номинальное значение междуфазного напряжения сети, В.

Коэффициент несимметрии напряжений по нулевой последовательности равен, %:

где U ₀₍₁₎ – действующее значение напряжения нулевой последовательности основной частоты трехфазной системы напряжений, В.

Допускается К _{0 U} вычислять по формуле, %

где U _ном.ф – номинальное значение фазного напряжения, В.

Измерение коэффициента несимметрии напряжений по нулевой последовательности проводят в четырехпроводной сети.

Относительная погрешность определения К _{2 U} и К _{0 U} по формулам численно равна значению отклонений напряжения U ₁₍₁₎ от U _ном.

Нормально допустимое и предельно допустимое значения коэффициента несимметрии напряжений по обратной последовательности в точке общего присоединения к электрическим сетям равны 2, 0 и 4, 0 %.

Нормированные значения коэффициента несимметрии напряжений по нулевой последовательности в точке общего присоединения к четырехпроводным электрическим сетям с номинальным напряжением 0, 38 кВ также равны 2, 0 и 4, 0 %.